謝浩，付蔚

（重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與智能儀器儀表教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

謝浩（碩士研究生），主要研究方向?yàn)橹悄芗揖印?/p>

引 言

可視對講系統(tǒng)已經(jīng)成為多功能、高效率的現(xiàn)代化住宅的重要保障，對智能樓宇或智能小區(qū)的建設(shè)有極其重要的作用［1］。開發(fā)智能樓宇門口機(jī)系統(tǒng)將滿足廣大用戶的需求，將智能生活提高到一個新的臺階。

1 可視對講系統(tǒng)的總體架構(gòu)

小區(qū)可視對講系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］主要由3部分組成：樓區(qū)可視對講系統(tǒng)、骨干網(wǎng)絡(luò)和中心管理機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 智能樓宇門口機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計

在可視對講系統(tǒng)當(dāng)中，以太網(wǎng)門口機(jī)的主要功能包括可視對講、多方式開鎖、語音提示、更改振鈴聲音、更改語音提供，支持中文／英文語言菜單，支持自行設(shè)置菜單語言選項(xiàng)，支持本地在線搜索網(wǎng)內(nèi)和室內(nèi)終端。多方式開鎖主要包括遠(yuǎn)程開鎖、密碼開鎖、IC卡開鎖和出門按鈕開鎖。門口機(jī)的功能框圖如圖2所示。

圖1 小區(qū)可視對講系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 門口機(jī)功能可視框圖

2.1 門口機(jī)的硬件設(shè)計

門口機(jī)的硬件主要由兩部分組成，分別是GM8120處理模塊［3］和ATmega64控制模塊。門口機(jī)的設(shè)計采用的是雙核處理結(jié)構(gòu)，每個核都有其負(fù)責(zé)的功能。CPU采用的是臺灣智原公司的GM8120處理模塊，該處理模塊是ARM9內(nèi)核，具有低功耗32位RISC體系結(jié)構(gòu)。GM8120處理模塊帶有實(shí)時多任務(wù)的Linux操作系統(tǒng)，其主要負(fù)責(zé)音視頻信號的處理以及網(wǎng)絡(luò)信號的處理，同時擴(kuò)展了比較大的存儲容量，可以存儲比較多的有用數(shù)據(jù)。

ATmega64是Atmel公司生產(chǎn)的一款低功耗的8位單片機(jī)，在讀取一條指令的時候?qū)ο乱粭l將要執(zhí)行的指令進(jìn)行讀取，加快了程序運(yùn)行速度。ATmega64控制模塊主要負(fù)責(zé)控制和顯示部分，具體分為門禁控制部分、開鎖部分以及LCD顯示部分［4］。同時，GM8120與 ATmega64的通信采用串口通信。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 門口機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 門口機(jī)核心板的設(shè)計

門口機(jī)的GM8120核心板的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)是整個硬件系統(tǒng)的核心，是整個系統(tǒng)的控制中心，其他模塊的一些數(shù)據(jù)都需要傳給GM8120處理模塊做進(jìn)一步處理。同時，GM8120處理過后的數(shù)據(jù)也需要傳給其他模塊去執(zhí)行，所以，GM8120核心板是門口機(jī)的大腦。GM8120核心板包含了處理器GM8120、存儲器、時鐘電路以及一些外圍電路和接口。該核心板的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 GM8120核心板結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2 視頻解碼電路設(shè)計

GM8120處理模塊有數(shù)字視頻輸入接口，對于輸出是CCIR656／601 的 CCD／CMOS攝像頭，可以直接與GM8120引腳相連接，而對于輸出復(fù)合視頻或S－VIDEO的CCD／CMOS攝像頭，需要外接一塊解碼芯片。本設(shè)計采用的是Philips公司生產(chǎn)的SAA7113視頻解碼芯片，對視頻信號進(jìn)行解碼，SAA7113在很多視頻產(chǎn)品中都有應(yīng)用，是一款9位的視頻輸入處理器，其功能是把輸入的模擬視頻信號解碼成標(biāo)準(zhǔn)的“VPO”數(shù)字信號，相當(dāng)于一種模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。SAA7113兼容全球大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在使用的時候必須對其進(jìn)行初始化，也是按我國的視頻標(biāo)準(zhǔn)對寄存器進(jìn)行配置，對SAA7113初始化是通過I2C總線進(jìn)行的［4］。

在本系統(tǒng)中，SAA7113是攝像頭與GM8120的橋梁，攝像頭輸出的是模擬信號，通過SAA7113之后，轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，直接與GM8120的數(shù)字視頻接口相連接。SAA7113芯片加一些外圍電路就組成了視頻解碼電路，如圖5所示。

從攝像頭輸出的模擬視頻信號經(jīng)過電容耦合與濾波之后，輸入到SAA7113的Vin11腳，其他3路視頻輸入接口沒有用到，同時SAA7113還外接了一個24.576MHz的有源晶振為其提供時鐘頻率，模擬部分與數(shù)字部分分別采用3.3V電壓進(jìn)行供電，通過I2C總線對SAA7113進(jìn)行寄存器的配置，地址為4AH和4BH。解碼后的輸出是從引腳IPD0～I(xiàn)PD7輸出的，其輸出的是8位標(biāo)準(zhǔn)ITU656信號，直接與GM8120相連。

2.1.3 開鎖模塊電路的設(shè)計

開鎖模塊是門禁的核心，在本系統(tǒng)中，開鎖的方式很多，比如遠(yuǎn)程開鎖、密碼開鎖、IC卡開鎖以及出門開關(guān)開鎖。所有的開鎖方式都是通過控制開鎖模塊來實(shí)現(xiàn)的，開鎖模塊的電路原理如圖6所示［5］。

開鎖模塊的核心是一個電磁繼電器和一個三極管。電磁繼電器型號為OMRON G6H－2，該繼電器有8個引腳，引腳1接高電平，引腳10接低電平，引腳3、8、4、7、2、9是公共觸點(diǎn)。3、4引腳和8、7引腳連接表示常開，3、2引腳和8、9引腳連接表示常閉。

圖6中引腳3和8并聯(lián)引出一個端口COM，引腳4和7并聯(lián)引出一個端口NO，引腳2和9并聯(lián)引出一個端口NC；三極管型號為S8050，由單片機(jī)的一個I／O口對三極管進(jìn)行控制，其原理如下：當(dāng)DOOR＿RELAY為高電平時，三極管的基極電位電平大于發(fā)射極，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器工作，使繼電器開關(guān)打到NO端；當(dāng)DOOR＿RELAY為低電平時，S8050截止，繼電器不工作，繼電器開關(guān)打到NC端。

圖5 視頻解碼電路原理圖

圖6 開鎖模塊電路原理圖

繼電器引出來的兩個端COM、NC跟電鎖相應(yīng)引腳相連，電鎖采用的是兩線電磁鎖H9200，電鎖電源接到NC端，電鎖正級接COM端，電鎖負(fù)級接地，繼電器引出來的NO端接地。當(dāng)S8050處于截止?fàn)顟B(tài)的時候，繼電器不工作，兩線電磁鎖處于工作狀態(tài)，門鎖上；當(dāng)S8050導(dǎo)通，繼電器工作，電鎖不工作，門打開。這就是開鎖模塊的控制過程。

2.2 門口機(jī)的軟件設(shè)計

以太網(wǎng)門口機(jī)的軟件設(shè)計主要包括4個部分：LCD顯示驅(qū)動的設(shè)計、ATmega64串口驅(qū)動的設(shè)計、GM8120串口驅(qū)動的設(shè)計和鍵盤掃描驅(qū)動的設(shè)計。結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 以太網(wǎng)門口機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 LCD顯示驅(qū)動的設(shè)計

LCD驅(qū)動設(shè)計主要包含以下幾個部分，分別是LCD初始化，LCD清屏，LCD列，行以及頁的定位，LCD顯示數(shù)字、漢字和顯示圖片等。

LCD初始化函數(shù)包含了端口的配置、LCD復(fù)位以及LCD顯示特性的設(shè)置，比如液晶屏顯示顏色深淺，選擇正顯或者反顯，顯示行列起始地址和LCD打開等等。

2.2.2 ATmega64的串口驅(qū)動設(shè)計

ATmega64的UART結(jié)構(gòu)可以分為3部分，分別是時鐘生成器、收控制器和發(fā)控制器?？刂萍拇嫫魇潜桓鱾€單元共享的。時鐘生成器包含外部時鐘同步邏輯和波特率發(fā)生器；收控制器包含奇偶校驗(yàn)器、控制邏輯、移位寄存器和UDR緩存器［5］。發(fā)控制器包含一個寫緩存、一系列移位寄存器、奇偶校驗(yàn)生成器和控制邏輯。

在本系統(tǒng)中，通過UART0與GM8120進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主要包含串口初始化、串口的數(shù)據(jù)接收與串口的數(shù)據(jù)發(fā)送等。部分程序如下：

2.2.3 GM8120的串口驅(qū)動設(shè)計

GM8120有4個串口，其串口結(jié)構(gòu)主要包含波特率發(fā)生器、16位發(fā)送FIFO、16位接收FIFO、狀態(tài)FIFO、配置與狀態(tài)寄存器、中斷控制器和APB接口等。

在GM8120的串口接收中，首先要打開串口的接收文件句柄，然后設(shè)置波特率，接著對串口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，打開串口，開辟一個串口接收線程，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。主要程序函數(shù)如下：

2.2.4 鍵盤的掃描驅(qū)動設(shè)計

本系統(tǒng)是4×3矩陣鍵盤，其用到了ATmega64的PF1－PF6I／O接口，采用的是逐行（列）掃描法。首先判斷有無鍵按下，將全部行線置低電平。然后，檢測列線的電平狀態(tài)，如果有列線為低電平，則證明有鍵按下；如果列線沒有低電平，則說明沒有鍵按下。如果有鍵按下，則判斷鍵盤的哪一個鍵按下了，方法是依次置行為低電平其他線為高電平。確定置為低電平的行，然后檢測列線狀態(tài)，如果某列為低電平，則讀取出PF口的值，可以判斷出是哪個鍵按下。PF口對應(yīng)的值以及鍵盤代表的鍵值如表1所列。

表1 PF口對應(yīng)的值以及鍵盤代表的鍵值

3 系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

針對門口機(jī)，對其完成了高低溫測試。測試地點(diǎn)是在重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院工程實(shí)訓(xùn)中心，測試平臺為重慶漢巴試驗(yàn)設(shè)備有限公司（HANBA）生產(chǎn)的高低溫濕熱試驗(yàn)箱，型號為HUT703P。該儀器是參照GB10586－89濕熱試驗(yàn)箱相應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)的。

在高低溫測試中，分高溫和低溫兩個流程來完成：

① 低溫測試。測試溫度范圍：－20～0℃，采用定值運(yùn)行模式，測試時間為45min；

② 高溫測試。溫度范圍：0～60℃，同樣采用定值運(yùn)行模式，測試時間為45min。在持續(xù)的低溫與高溫環(huán)境下，對門口機(jī)進(jìn)行了上電運(yùn)行，門口機(jī)運(yùn)行正常，測試通過。

驗(yàn)證平臺的搭建分兩種模式來完成：一種是以智能樓宇梯口機(jī)為中心，搭建驗(yàn)證平臺；另外一種是把智能樓宇門口機(jī)加入智能樓宇系統(tǒng)中對其進(jìn)行驗(yàn)證。

第一種方式需要EPA交換機(jī)、智能樓宇門口機(jī)、電磁鎖、出門按鈕、有效IC卡以及一些測試工具。連接圖如圖8所示。

圖8 門口機(jī)功能驗(yàn)證連接圖（第一種方式）

第二種方式是把智能樓宇門口機(jī)放到智能樓宇系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，所需設(shè)備為智能樓宇門口機(jī)、EPA交換機(jī)、電磁鎖、出門按鈕、IC卡、2臺室內(nèi)機(jī)、中心管理機(jī)以及一些測試工具。連接圖如圖9所示。

圖9 門口機(jī)系統(tǒng)驗(yàn)證連接圖（第二種方式）

結(jié) 語

智能樓宇門口機(jī)是智能樓宇控制系統(tǒng)的重要組成部分，是可視對講系統(tǒng)的核心。其采用以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信號的傳輸，具有功耗低、速度快、成本低、功能強(qiáng)大、資源豐富等特點(diǎn)。同時，其組網(wǎng)非常方便，具有很強(qiáng)的使用價值。本設(shè)計講述了智能樓宇門口機(jī)的總體硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方案，總體介紹了智能樓宇門口機(jī)的功能和在可視對講系統(tǒng)中的應(yīng)用。本設(shè)計已經(jīng)在重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院智能家居實(shí)驗(yàn)室得到了很好的應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

［1］王再英，韓養(yǎng)社，高虎賢.樓宇自動化系統(tǒng)原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［2］林火養(yǎng).智能小區(qū)安全防范系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］張齊，朱寧西，畢盛.單片機(jī)原理與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［4］馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐［M］.2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［5］莊嚴(yán).嵌入式Linux系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.